Protokół wykorzystujący ulepszoną metodę QM/MM do zbadania wpływu izotopowego na proces podwójnego transferu protonów w porficenie jest przedstawiony tutaj.
Artykuł metodologiczny
Protokół wykorzystujący ulepszoną metodę QM/MM do zbadania wpływu izotopowego na proces podwójnego transferu protonów w porficenie jest przedstawiony tutaj.
Pojedyncze podstawienie deuteru w porficenie prowadzi do asymetrycznej geometrii molekularnej, co może wpływać na proces podwójnej transferu protonów w cząsteczce porficenu. W tym badaniu zastosowaliśmy ulepszoną metodę QM/MM o nazwie SITS-QM/MM w celu zbadania wpływu izotopów wodoru/deuteru (H/D) na transfer podwójnych protonów w porficenie. Zmiany odległości w symulacjach dynamiki molekularnej SITS-QM/MM sugerowały, że porficen podstawiony deuterem przyjął stopniowy mechanizm podwójnego transferu protonów. Analiza strukturalna i przesunięcia energii swobodnej procesu transferu podwójnych protonów wykazały, że asymetryczna substytucja izotopowa subtelnie ściska kowalencyjne wiązania wodorowe i może zmienić pierwotne położenie stanu przejściowego.
Proces transferu protonów w porficenach ma potencjalne zastosowania w rozwoju przełączników molekularnych, tranzystorów i urządzeń do przechowywania informacji1,2. W szczególności tautomeryzacja w porficenach poprzez proces podwójnej wymiany protonów wzbudziła szerokie zainteresowanie w dziedzinach spektroskopii i fotofizyki2. Wewnętrzne atomy wodoru porficenu, mogą migrować z jednego izomeru trans do drugiego równoważnego izomeru trans w procesie podwójnego transferu protonów, jak pokazano na rysunku 1. Zaproponowano dwa mechanizmy dla procesu podwójnego transferu protonów: mechanizm uzgodniony i mechanizm krokowy3,4. W skoordynowanym procesie podwójnego transferu protonów oba atomy protonu przechodzą do stanu przejściowego synchronicznie w symetryczny sposób, podczas gdy jeden proton kończy transfer przed drugim protonem w procesie krokowym. Dwa atomy wodoru mogą przenosić się jednocześnie lub skokowo, w zależności od siły korelacji między dwoma atomami wodoru5.
Substytucja izotopowa została użyta do wykrywania właściwości strukturalnych cząsteczek i stałych szybkości kinetyki reakcji6. Pojedyncze podstawienie deuteru w wewnętrznym wodorze porfirenu prowadzi do asymetrycznego kształtu cząsteczki. Wiązanie wodorowe może rozszerzać się lub kurczyć z powodu różnicy mas między atomami wodoru i deuteru. Substytucja izotopowa wprowadza zaburzenie w rusztowaniu porficenu. Pojawia się pytanie, czy asymetryczna budowa wpłynęłaby na proces transferu protonów. Limbach i współpracownicy stwierdzili, że zastąpienie wodoru deuterem spowoduje kompresję obu wiązań wodorowych, a kooperacyjne sprzężenie dwóch wiązań wodorowych w porficenie może sprzyjać uzgodnionemu mechanizmowi7, podczas gdy Yoshikawa stwierdził, że deuteracja sprawi, że mechanizm krokowy przyczyni się bardziej niż mechanizm uzgodniony8. Techniki eksperymentalne, takie jak spektroskopia sił, zostały opracowane w celu uchwycenia szczegółów tautomeryzacji w jednym porphycene9. Jednak nadal trudno jest eksperymentalnie określić atomowe szczegóły transferu protonów ze względu na jego przejściową naturę.
Teoretyczne obliczenia i symulacje mogą służyć jako narzędzia uzupełniające w wyjaśnianiu mechanizmów reakcji transferu protonów. Wśród różnych metod teoretycznych, symulacje dynamiki molekularnej (MD) mogą monitorować dynamiczne ruchy każdego atomu i są szeroko stosowane do ujawniania złożonych mechanizmów w reakcjach chemicznych i enzymatycznych. Jednak regularne symulacje MD mają tendencję do problemów z niewystarczającym próbkowaniem, zwłaszcza gdy w procesie zainteresowania istnieje bariera o wysokiej energii. W związku z tym opracowano ulepszone metody próbkowania, które obejmują próbkowanie ścieżki przejścia10,11, próbkowanie parasolowe (US)12,13 oraz zintegrowane próbkowanie odpuszczania (ITS)14,15. Połączenie różnych ulepszonych metod próbkowania może jeszcze bardziej zwiększyć wydajność próbkowania16,17,18. Aby wykorzystać ulepszone algorytmy próbkowania do symulacji reakcji chemicznych, wdrożyliśmy metodę selektywnego zintegrowanego próbkowania odpuszczania (SITS) z potencjałami mechaniki kwantowej i mechaniki molekularnej (QM/MM) niedawno19. Proponowana metoda SITS-QM/MM łączy w sobie zalety obu metod: metoda SITS przyspiesza pobieranie próbek i może badać wszystkie możliwe kanały reakcji bez wcześniejszej wiedzy na temat mechanizmu reakcji, a QM/MM zapewnia dokładniejszy opis procesu tworzenia i zrywania wiązań, którego nie można symulować wyłącznie za pomocą metod MM. Wdrożone podejście SITS-QM/MM z powodzeniem odkryło skoordynowany podwójny transfer protonów, nieskorelowany i skorelowany mechanizm krokowego transferu podwójnych protonów w różnych systemach, bez wstępnego definiowania współrzędnych reakcji19. W przypadku porficetu podano stopniowy, ale skorelowany charakter transferu protonów19. Do zbadania efektu izotopowego w porficenie w naszym badaniu wykorzystano hybrydową metodę SITS-QM/MM, a poniżej znajdują się szczegółowe opisy algorytmu i protokołu naszej metody.
Wdrożyliśmy metodę SITS z hybrydowymi potencjałami QM/MM. Efektywny potencjał SITS został zdefiniowany tak, aby obejmował energię potencjalną w różnych temperaturach ze współczynnikami wagowymi nk w celu pokrycia szerszych zakresów temperatur,

gdzie, N to liczba wyrazów kanonicznych, βk to odwrotna temperatura, a nk to odpowiedni współczynnik wagowy dla każdego składnika kanonicznego. UE(R) i UN(R) reprezentują rozszerzone i nieulepszone terminy w SITS i są zdefiniowane jako:

Us, Use i Ue to energia potencjalna podsystemu, interakcja między podsystemem a środowiskiem oraz potencjalna energia środowiska. Potencjał QM/MM jest wyrażony jako hybrydowe sumowanie trzech składników,

gdzie Uqm, Uqm/mm i Umm to odpowiednio wewnętrzny termin energetyczny podsystemu QM, energia oddziaływania między obszarami QM i MM oraz energia oddziaływania w podsystemie MM. Termin Uqm/mm można dalej podzielić na trzy składniki, które obejmują warunki energii oddziaływań elektrostatycznych, van der Waalsa i kowalencyjnych między atomami QM i MM,

Przypisujemy
, oraz
do jednego terminu U s w SITS,

Pełny potencjał systemu został następnie rozłożony na energię podsystemu Us, energię interakcji między podsystemem a środowiskiem Use oraz energię środowiska Ue. Na przykład w systemie, którego dotyczy niniejsza praca, podsystemem jest porfirencja, a środowiskiem woda.
Profil PMF wzdłuż zmiennej zbiorczej τ(R) jest wyprowadzany jako,

Powszechnie używane współrzędne reakcji dla każdej wymiany wodoru N1−H1··· N2 to q1 = (r1−r2)/2 i q2 = r1 + r2, gdzie1 to odległość N1-H1, a r2 to odległość H1-N2.
Metoda została zaimplementowana w pakiecie symulacyjnym QM/MM MDQM 4D20. Pełny kod źródłowy i dokumentację można znaleźć tutaj: http://www.qm4d.info/.
Generalnie, symulacje SITS-QM/MM MD obejmują cztery etapy: wstępne równowaga (pre-sits); optymalizacja nk (opt-sits); symulacja produkcji i analiza danych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Model budynku
2. Wstępne siedzenia
3. Opcja
4. Przeprowadzanie symulacji produkcyjnych
5 Analiza danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Efekt pojedynczej substytucji deuteru w procesie podwójnej transferu protonów w porficenie został zbadany w obecnym protokole (Rysunek 1). Sprawdzono energię potencjalną podsystemu QM i wody podczas etapu równowagi wstępnej i optymalizacji, aby upewnić się, że energia została poszerzona do szerszego zakresu energii (Rysunek 2). Reprezentatywne zmiany odległości i kąta (Rysunek 3 i Rysunek 4) oraz prognozowane zmiany energii swobodnej (
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Strukturę porficenu przedstawiono na rysunku 1. Do opisu reakcji chemicznych zachodzących w wodzie wykorzystano elektrostatyczny potencjał hybrydowy QM/MM metodą SITS 23,24. Transfer protonów zachodzi w obrębie porfirynu3, a zatem porficen jest ustawiony jako region QM, a woda przypominająca jest ustawiona jako obszar MM. W tym przypadku przyjęliśmy DFTB/MIO jako naszą metodę zarządzania jakością do obróbki po...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Te badania są wspierane przez Narodowy Kluczowy Program Badawczo-Rozwojowy Chin (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), Fundację Nauk Przyrodniczych prowincji Jiangsu oraz Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (91645116). L.X jest specjalnie mianowanym profesorem Zhong-Wu na Uniwersytecie Technologicznym Jiangsu. Autorzy przyjmują do wiadomości sugestie dr Hao Hu i dr Mingjun Yanga.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| system operacyjny | CentOS Linux release 6.0 | ||
| Oprogramowanie QM4D | http://www.qm4d.info/ | program własny | |
| Komputer stacjonarny | HP |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie